(57)【要約】【課題】  燃料電池から排出されるオフガスを循環させて燃料電池の電解質膜の加湿を行うことが可能な燃料電池システムにおいて、燃料電池の電解質膜の加湿を効果的に行う。【解決手段】  燃料電池システム１００に貯蔵タンク３０を設ける。燃料電池スタック１０のカソードオフガスに含まれる水分量が比較的多いときに、そのカソードオフガスを貯蔵タンク３０に貯蔵しておく。そして、燃料電池スタック１０の電解質膜の水分量が低下し、加湿が必要になったときに、貯蔵タンク３０に貯蔵されていた水分を比較的多く含むカソードオフガスを燃料電池スタック１０のカソードに供給し、加湿を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池と、
前記燃料電池に所定の反応ガスを供給するための供給配管と、
前記燃料電池から排出されたオフガスを外部に排出するための排出配管と、
前記供給配管、および、前記排出配管に接続され、前記オフガスを前記供給配管に循環させるための循環配管と、
前記循環配管と、前記排出配管とのうちの少なくとも一方に接続され、前記オフガスを貯蔵するための貯蔵タンクと、
前記貯蔵タンクへの前記オフガスの流入、および、前記貯蔵タンクからの前記オフガスの流出を切り換えるためのバルブと、
前記バルブの開閉を制御するバルブ制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記バルブ制御部は、
前記オフガスに含まれる水分量が比較的多いと判断したときに、該オフガスを、前記貯蔵タンクに貯蔵するように、前記バルブの開閉を制御し、
前記電解質膜に加湿が必要であると判断したときに、前記貯蔵タンクに貯蔵された前記オフガスを、前記燃料電池に供給するように、前記バルブの開閉を制御する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記オフガスは、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスであり、
前記バルブ制御部は、前記電解質膜に加湿が必要であると判断したときに、前記貯蔵タンクに貯蔵された前記カソードオフガスを、前記燃料電池のカソードに供給するように、前記バルブの開閉を制御する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
前記排出配管の圧力を検出する第１の圧力センサと、
前記供給配管の圧力を検出する第２の圧力センサと、を備え、
前記バルブ制御部は、
前記燃料電池の温度が第１の所定温度以上であって、かつ、前記排出配管の圧力が第１の所定圧力以上であるときに、前記オフガスに含まれる水分量が比較的多いと判断し、
前記燃料電池の温度が前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以下であって、かつ、前記供給配管の圧力が前記第１の所定圧力よりも低い第２の所定圧力以下であるときに、前記電解質膜に加湿が必要であると判断する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記貯蔵タンクは、前記燃料電池のカソード側の前記循環配管と、前記排出配管とのうちの少なくとも一方に接続されており、
前記カソード側の前記供給配管には、前記カソードに所定の酸化剤ガスを圧縮して供給するためのコンプレッサが配設されており、
前記バルブ制御部は、前記コンプレッサを停止したときに、前記貯蔵タンクに貯蔵されたガスを用いて前記燃料電池内の掃気を行うように、前記バルブの開閉を制御する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記貯蔵タンクは、前記燃料電池のカソード側の前記循環配管と、前記排出配管とのうちの少なくとも一方に接続されており、
前記カソード側の前記供給配管には、前記カソードに所定の酸化剤ガスを圧縮して供給するためのコンプレッサが配設されており、
前記バルブ制御部は、前記コンプレッサを停止したときに、前記貯蔵タンクに貯蔵されたガスを用いて、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水素の希釈を行うように、前記バルブの開閉を制御する、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、固体高分子型燃料電池では、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。このため、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムでは、電解質膜の加湿が必要となる。
【０００３】
近年では、燃料電池における発電、すなわち、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水を、電解質膜の加湿に再利用することによって、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させる技術が提案されている。例えば、下記特許文献には、燃料電池のカソードから排出された生成水を含むカソードオフガスを、再度カソードに循環させて供給し、電解質膜を加湿する技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特表平８−５００９３１号公報
【特許文献２】特開２０００−２６０４５８号公報
【特許文献３】特開平９−３１２１６４号公報
【特許文献４】特開平９−２６６００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記技術では、カソードオフガスに含まれる水分量が多いときとは、燃料電池において多量の生成水が生成されているときであり、この場合、電解質膜は、十分な水分を含んでいるので、カソードオフガスを循環させて電解質膜を加湿する必要がない場合が多い。一方、電解質膜を加湿する必要があるときとは、燃料電池において生成される生成水の量が少なく、カソードオフガスに含まれる水分量が少ない場合が多い。つまり、燃料電池の電解質膜に加湿が必要なタイミングと、燃料電池からのカソードオフガスに含まれる水分量が多いタイミングとが異なっており、カソードオフガスを用いた電解質膜の加湿を効果的に行うことができなかった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池から排出されるオフガスを循環させて燃料電池の電解質膜の加湿を行うことが可能な燃料電池システムにおいて、燃料電池の電解質膜の加湿を効果的に行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池と、
前記燃料電池に所定の反応ガスを供給するための供給配管と、
前記燃料電池から排出されたオフガスを外部に排出するための排出配管と、
前記供給配管、および、前記排出配管に接続され、前記オフガスを前記供給配管に循環させるための循環配管と、
前記循環配管と、前記排出配管とのうちの少なくとも一方に接続され、前記オフガスを貯蔵するための貯蔵タンクと、
前記貯蔵タンクへの前記オフガスの流入、および、前記貯蔵タンクからの前記オフガスの流出を切り換えるためのバルブと、
前記バルブの開閉を制御するバルブ制御部と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明において、反応ガスとは、燃料ガスと、酸化剤ガスとの両方を含む。したがって、供給配管とは、燃料電池のアノードに接続される燃料ガス用の供給配管と、燃料電池のカソードに接続される酸化剤ガス用の供給配管とを含んでいる。また、オフガスとは、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスと、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスとの両方を含む。したがって、排出配管とは、燃料電池のアノードに接続される燃料ガス用の排出配管と、燃料電池のカソードに接続される酸化剤ガス用の排出配管とを含んでいる。また、循環配管は、燃料ガス用の排出配管と、燃料ガス用の供給配管、または、酸化剤ガス用の排出配管と、酸化剤ガス用の供給配管に接続される。貯蔵タンクは、アノード側の配管にも、カソード側の配管にも接続され得る。これらの循環配管や、貯蔵タンクは、カソード側と、アノード側とのうちの少なくとも一方に備えるようにすればよい。
【０００９】
本発明では、上記バルブの開閉を制御することによって、貯蔵タンクにオフガスを貯蔵したり、貯蔵タンクからオフガスを排出したりすることができる。したがって、上記バルブを適当なタイミングで開閉することによって、水分の含有量が多いオフガスを、一旦、貯蔵タンクに貯蔵しておき、燃料電池の電解質膜に加湿が必要なときに、貯蔵タンクから水分の含有量が多いオフガスを循環させて供給することができる。つまり、燃料電池から排出されるオフガスを循環させて燃料電池の電解質膜の加湿を行うことが可能な燃料電池システムにおいて、燃料電池の電解質膜の加湿を効果的に行うことができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、
前記バルブ制御部は、
前記オフガスに含まれる水分量が比較的多いと判断したときに、該オフガスを、前記貯蔵タンクに貯蔵するように、前記バルブの開閉を制御し、
前記電解質膜に加湿が必要であると判断したときに、前記貯蔵タンクに貯蔵された前記オフガスを、前記燃料電池に供給するように、前記バルブの開閉を制御するようにしてもよい。
【００１１】
本発明によって、オフガスに含まれる水分量が比較的多いときに、貯蔵タンクにオフガスを貯蔵し、燃料電池の電解質膜に加湿が必要なときに、貯蔵タンクに貯蔵されていた水分の含有量が比較的多いオフガスを電解質膜に供給することができる。
【００１２】
なお、オフガスに含まれる水分量が比較的多いか否かの判断や、電解質膜に加湿が必要であるか否かの判断には、種々のパラメータを用いることができる。例えば、オフガスに含まれる水分量を直接的に測定するようにしてもよいし、発電量や、燃料電池の温度や、各配管の圧量等に基づいて、オフガスに含まれる水分量を間接的に測定（推定）するようにしてもよい。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記オフガスは、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスであり、
前記バルブ制御部は、前記電解質膜に加湿が必要であると判断したときに、前記貯蔵タンクに貯蔵された前記カソードオフガスを、前記燃料電池のカソードに供給するように、前記バルブの開閉を制御するようにしてもよい。
【００１４】
一般に、生成水は、燃料電池のカソードで生成されるので、水分はカソードオフガスに多く含まれる。したがって、水分が比較的多く含まれるカソードオフガスを貯蔵タンクに貯蔵し、これを必要に応じてカソードに供給することによって、燃料電池の電解質膜の加湿を効果的に行うことができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、上記オフガスに含まれる水分量が比較的多いか否かの判断や、電解質膜に加湿が必要であるか否かの判断は、種々のパラメータに基づいて行うことができるが、
前記バルブ制御部は、
前記燃料電池の温度が第１の所定温度以上であって、かつ、前記排出配管の圧力が第１の所定圧力以上であるときに、前記オフガスに含まれる水分量が比較的多いと判断し、
前記燃料電池の温度が前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以下であって、かつ、前記供給配管の圧力が前記第１の所定圧力よりも低い第２の所定圧力以下であるときに、前記電解質膜に加湿が必要であると判断するようにしてもよい。
【００１６】
一般に、燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度が比較的高く、かつ、排出配管の圧力が高いときには、燃料電池における発電量が多く、生成される生成水の量も多くなる。したがって、オフガスに含まれる水分量も比較的多くなる。また。燃料電池の温度が低く、かつ、供給配管の圧力が低いときには、燃料電池における発電量が少なく、生成される生成水の量も少なくなる。したがって、オフガスに含まれる水分量も比較的少なくなる。
【００１７】
燃料電池システムには、通常、その運転を制御するために、燃料電池の温度を検出するための温度センサや、配管の圧力を検出するための圧力センサを備えている。本発明によって、オフガスに水分量が多く含まれているか否か、あるいは、電解質膜に加湿が必要であるか否かを、オフガスに含まれる水分量を直接的に検出するためのセンサを設けることなく、既存のセンサを用いて、間接的に検出し、バルブの開閉制御を行うことができる。この結果、燃料電池システムの構成の複雑化を抑制することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記貯蔵タンクは、前記燃料電池のカソード側の前記循環配管と、前記排出配管とのうちの少なくとも一方に接続されており、
前記カソード側の前記供給配管には、前記カソードに所定の酸化剤ガスを圧縮して供給するためのコンプレッサが配設されており、
前記バルブ制御部は、前記コンプレッサを停止したときに、前記貯蔵タンクに貯蔵されたガスを用いて前記燃料電池内の掃気を行うように、前記バルブの開閉を制御するようにしてもよい。
【００１９】
従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池における発電を一時的に停止する場合、燃料電池システム内に設けられた二次電池等の蓄電手段を用いてコンプレッサを動作させ、燃料電池内の掃気を行う場合があった。これは、燃料電池の停止中に、燃料電池内において、アノードからカソードへのクロスリークによる水素が滞留し、燃料電池の運転の再開時の発電を妨げることを防止するためである。しかし、二次電池等の蓄電手段を用いてコンプレッサを駆動することは、燃料電池システムのエネルギ効率の低下を招いていた。
【００２０】
本発明では、貯蔵タンク内に予め酸化剤ガスを貯蔵しておき、これを用いて、燃料電池内（カソード）の掃気を行うことができる。つまり、燃料電池内の掃気のためにコンプレッサを駆動する必要がない。この結果、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記貯蔵タンクは、前記燃料電池のカソード側の前記循環配管と、前記排出配管とのうちの少なくとも一方に接続されており、
前記カソード側の前記供給配管には、前記カソードに所定の酸化剤ガスを圧縮して供給するためのコンプレッサが配設されており、
前記バルブ制御部は、前記コンプレッサを停止したときに、前記貯蔵タンクに貯蔵されたガスを用いて、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水素の希釈を行うように、前記バルブの開閉を制御するようにしてもよい。
【００２２】
従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池を停止する場合、燃料電池内に設けられた二次電池等の蓄電手段を用いてコンプレッサを動作させ、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる未消費の水素を可燃濃度以下に希釈する場合があった。しかし、これは、燃料電池システムのエネルギ効率の低下を招いていた。
【００２３】
本発明では、貯蔵タンク内に予め酸化剤ガスを貯蔵しておき、これを用いて、アノードオフガスに含まれる水素に希釈を行うことができる。つまり、水素の希釈のためにコンプレッサを駆動する必要がない。この結果、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることができる。
【００２４】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２５】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システム：
Ｂ．バルブ制御処理：
Ｃ．掃気処理：
Ｄ．水素希釈処理：
Ｅ．変形例：
【００２７】
Ａ．燃料電池システム：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池スタック１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、プロトン透過性を有する電解質膜を挟んで、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と、酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとした。
【００２８】
燃料電池スタック１０のアノードには、配管２１を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。アノードからの排気ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、配管２２、水素希釈器５０、配管２５を通じて外部に排出される。水素希釈器５０は、アノードオフガスに含まれる燃料電池スタック１０で未消費の水素を希釈するためのものである。
【００２９】
燃料電池スタック１０のカソードには、配管２３を介して、酸素を含有した酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気は、図示しないフィルタから吸入され、配管２３に設けられたエアコンプレッサ４０によって圧縮された後、カソードに供給される。カソードからの排気ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管２４、水素希釈器５０、配管２５を通じて外部に排出される。
【００３０】
配管２３のエアコンプレッサ４０と燃料電池スタック１０との間には、燃料電池スタック１０の入口圧力を検出するための圧力センサ４２が設けられている。また、配管２４には、調圧バルブ２６が設けられており、この調圧バルブ２６と燃料電池スタック１０との間には、燃料電池スタック１０の出口圧力を検出するための圧力センサ４４が設けられている。
【００３１】
配管２３、２４には、図示するように、配管３１〜３６が接続されている。そして、配管３１、３４には、図示するように、貯蔵タンク３０が接続されている。この貯蔵タンク３０には、タンク内の圧力を検出するための圧力センサ４６が設けられている。本実施例では、貯蔵タンク３０として、容積が一定の容器を用いるものとした。この代わりに、内部に貯蔵されたガスの量に応じて所定の範囲で容積が変動する容器を用いるようにしてもよい。
【００３２】
配管３６、３５、３３、３２には、それぞれバルブＶＡ、ＶＢ、ＶＣ、ＶＤが設けられている。これらのバルブＶＡ、ＶＢ、ＶＣ、ＶＤの開閉状態を切り換えることによって、貯蔵タンク３０と、配管２３、または、配管２４との連通状態を切り換え、貯蔵タンク３０へのガスの流入、および、貯蔵タンク３０からのガスの流出を切り換えることができる。今、燃料電池システム１００の運転中、バルブＶＡ、ＶＢ、ＶＣ、ＶＤが閉じているものとする。このとき、例えば、バルブＶＡ、または、バルブＶＤを開弁して、閉弁すれば、貯蔵タンク３０にカソードオフガスを貯蔵することができ、その後、バルブＶＢ、または、バルブＶＤを開弁すれば、貯蔵タンク３０に貯蔵したカソードオフガスを、配管２３を介して、燃料電池スタック１０のカソードに供給することができる。
【００３３】
配管２１、２３は、本発明における供給配管に相当し、配管２２、２４は、本発明における排出配管に相当する。また、配管３１〜３６は、本発明における循環配管に相当する。
【００３４】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット６０によって制御される。制御ユニット６０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。図中に、この制御を実現するために制御ユニット６０に入出力される信号の一例を破線で示した。入力信号としては、例えば、圧力センサ４２、４４、４６や、温度センサ４８の検出信号などが挙げられる。出力信号としては、例えば、バルブＶＡ、ＶＢ、ＶＣ、ＶＤや、調圧バルブ２６や、エアコンプレッサ４０などの制御信号が挙げられる。制御ユニット６０は、本発明におけるバルブ制御部に相当する。
【００３５】
Ｂ．バルブ制御処理：
図２は、バルブ制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００の運転中、すなわち、発電中に、制御ユニット６０のＣＰＵが実行する処理である。制御ユニット６０は、燃料電池システム１００の運転中、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃや、カソードの入口圧力Ｐｉや、カソードの出口圧力Ｐｏや、貯蔵タンクの圧力Ｐｔを、常時監視している。後述する掃気処理においても同様である。また、初期状態では、バルブＶＡ、ＶＢ、ＶＣ、ＶＤは、全て閉じているものとする。
【００３６】
まず、ＣＰＵは、温度センサ４８、および、圧力センサ４４の検出信号を参照し、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが予め設定された温度Ｔ１よりも高く、かつ、出口圧力Ｐｏが予め設定された圧力Ｐ１よりも高くなると（ステップＳＳ１００：ＹＥＳ）、バルブＶＡを開弁し（ステップＳ１１０）、貯蔵タンク３０にカソードオフガスを流入させる。その後、ＣＰＵは、圧力センサ４６の検出信号を参照し、貯蔵タンク３０の圧力Ｐｔが圧力Ｐ２（＜Ｐ１）よりも高くなると（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、バルブＶＡを閉弁する（ステップＳ１３０）。燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが温度Ｔ１よりも高く、かつ、出口圧力Ｐｏが圧力Ｐ１よりも高いときは、燃料電池スタック１０における発電量が比較的大きく、生成水が多量に生成され、カソードオフガスに含まれる水分量が比較的多いときである。したがって、これらの処理によって、水分が比較的多く含まれるカソードオフガスを、貯蔵タンク３０に貯蔵することができる。
【００３７】
次に、ＣＰＵは、温度センサ４８、および、圧力センサ４２の検出信号を参照し、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが予め設定された温度Ｔ２（＜Ｔ１）よりも低く、かつ、入口圧力Ｐｉが予め設定された圧力Ｐ３（＜Ｐ２）よりも低くなると（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、バルブＶＣを開弁し（ステップＳ１５０）、貯蔵タンク３０に貯蔵されていたカソードオフガスを、燃料電池スタック１０のカソードに供給する。燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが温度Ｔ２よりも低く、かつ、入口圧力Ｐｉが圧力Ｐ３よりも低いときは、燃料電池スタック１０における発電量が比較的小さく、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態を維持するために、加湿が必要なときである。したがって、これらの処理によって、貯蔵タンク３０に貯蔵されていた水分が比較的多く含まれるカソードオフガスを、カソードに供給し、電解質膜の加湿を行うことができる。
【００３８】
バルブＶＣを開弁した後、ＣＰＵは、貯蔵タンク３０の圧力Ｐｔが予め設定された圧力Ｐ４（Ｐ２＞Ｐ４＞Ｐ３）よりも低くなると（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、バルブＶＣを閉弁し（ステップＳ１７０）、ステップＳ１００に戻る。
【００３９】
以上説明したバルブ制御処理によって、カソードオフガスに水分が比較的多く含まれているときに、そのカソードオフガスを、一旦、貯蔵タンク３０に貯蔵しておき、燃料電池スタック１０の電解質膜に加湿が必要なときに、貯蔵タンク３０から水分が比較的多く含まれるカソードオフガスを循環させて供給し、加湿を行うことができる。
【００４０】
Ｃ．掃気処理：
図３は、掃気処理の流れを示すフローチャートである。掃気処理は、燃料電池システム１００の停止中に、燃料電池スタック１０内において、アノードからカソードへのクロスリークによる水素が滞留し、燃料電池システム１００の運転の再開時の発電を妨げることを防止するために、燃料電池スタック１０内を掃気する処理である。この処理は、制御ユニット６０に、燃料電池システム１００の停止要求が入力されたときに、制御ユニット６０のＣＰＵが実行する処理である。
【００４１】
まず、ＣＰＵは、圧力センサ４２の検出信号を参照し、入口圧力Ｐｉが予め設定された圧力Ｐ５よりも高いときに（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、バルブＶＢを開弁し（ステップＳ２１０）、貯蔵タンク３０に空気を流入させる。そして、ＣＰＵは、貯蔵タンク３０の圧力Ｐｔが予め設定された圧力Ｐ６（＜Ｐ５）よりも高くなったら（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、バルブＶＢを閉弁する（ステップＳ２３０）。こうして貯蔵タンク３０に空気を貯蔵する。
【００４２】
次に、ＣＰＵは、エアコンプレッサ４０を停止する（ステップＳ２４０）。そして、ＣＰＵは、圧力センサ４２の検出信号を参照し、入口圧力Ｐｉが予め設定された圧力Ｐ７（＜Ｐ６）よりも低くなると（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、バルブＶＢを開弁し（ステップＳ２６０）、貯蔵タンク３０に貯蔵されていた空気を、燃料電池スタック１０のカソードに供給する。そして、ＣＰＵは、貯蔵タンク３０の圧力Ｐｔが予め設定された圧力Ｐ８（Ｐ６＞Ｐ８＞Ｐ７）よりも低くなったら（ステップＳ２７０：ＹＥＳ）、バルブＶＢを閉弁し（ステップＳ２８０）、掃気処理を終了する。
【００４３】
以上説明した掃気処理によって、貯蔵タンク３０内に予め空気を貯蔵しておき、これを用いて、燃料電池スタック１０内（カソード）の掃気を行うことができる。つまり、燃料電池スタック１０内の掃気のためにエアコンプレッサ４０を駆動する必要がない。この結果、燃料電池スタック１０内の掃気のためにエアコンプレッサ４０を駆動する場合と比較して、燃料電池システム１００のエネルギ効率を向上させることができる。
【００４４】
Ｄ．水素希釈処理：
水素希釈処理は、燃料電池システム１００を停止するときに、燃料電池スタック１０のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる未消費の水素を希釈する処理である。この処理は、先に説明した掃気処理（図３参照）とほぼ同じである。すなわち、この水素希釈処理では、先に説明した掃気処理のステップＳ２４０の後に、調圧バルブ２６の開度を絞る処理を行う。こうすることによって、ステップＳ２６０においてバルブＶＢを開弁したときに、貯蔵タンク３０から流出する空気の量を減少させることができるので、水素の希釈を長時間継続することができる。この他は、先に説明した掃気処理と同じである。
【００４５】
以上説明した水素希釈処理によって、貯蔵タンク３０内に予め空気を貯蔵しておき、これを用いて、アノードオフガスに含まれる水素に希釈を行うことができる。つまり、水素の希釈のためにエアコンプレッサ４０を駆動する必要がない。この結果、燃料電池システム１００の停止時に、水素の希釈のためにエアコンプレッサ４０を駆動する場合と比較して、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることができる。
【００４６】
以上説明した燃料電池システム１００によれば、カソードオフガスに含まれる水分量が比較的多いときに、そのカソードオフガスを、一旦、貯蔵タンク３０に貯蔵しておき、燃料電池スタック１０の電解質膜に加湿が必要なときに、貯蔵タンク３０から水分量が比較的多く含まれるカソードオフガスを循環させて供給することができる。つまり、燃料電池スタック１０の電解質膜の加湿を効果的に行うことができる。
【００４７】
Ｅ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００４８】
Ｅ１．変形例１：
図４は、変形例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００Ａの構成は、貯蔵タンク３０Ａ、および、循環配管としての配管３７、３８の配置以外は、先に説明した燃料電池システム１００と同じである。
【００４９】
燃料電池システム１００Ａにおいて、貯蔵タンク３０Ａは、配管２４における調圧バルブ２６と燃料電池スタック１０との間に設けられている。また、燃料電池システム１００Ａには、貯蔵タンク３０Ａとエアコンプレッサ４０の上流側の配管２３とを接続する配管３７と、貯蔵タンク３０Ａとエアコンプレッサ４０の下流側の配管２３とを接続する配管３８とが設けられている。配管３７、３８には、それぞれ、バルブＶＧ、ＶＦが設けられている。また、配管２３におけるエアコンプレッサ４０と燃料電池スタック１０との間には、バルブＶＥが設けられている。
【００５０】
このような構成によっても、バルブＶＥ，ＶＦ、ＶＧ、調圧バルブ２６を制御することによって、カソードオフガスに含まれる水分量が比較的多いときに、そのカソードオフガスを、一旦、貯蔵タンク３０Ａに貯蔵しておき、燃料電池スタック１０の電解質膜に加湿が必要なときに、貯蔵タンク３０Ａから水分量が比較的多く含まれるカソードオフガスを循環させて供給することができる。
【００５１】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、バルブ制御処理において、バルブＶＡを開弁して、カソードオフガスを貯蔵タンク３０に流入させるものとしたが、バルブＶＤを開弁するようにしてもよい。ただし、バルブＶＡを開弁するようにすれば、調圧バルブ２６よりも上流側の比較的圧力が高いカソードオフガスを貯蔵タンク３０に貯蔵できるという利点がある。
【００５２】
また、バルブＶＣを開弁して、貯蔵タンク３０に貯蔵されたカソードオフガスをカソードに供給するものとしたが、バルブＶＢを開弁するようにしてもよい。ただし、バルブＶＣを開弁するようにすれば、配管２３におけるエアコンプレッサ４０よりも上流側の比較的圧力が低い部位に貯蔵タンク３０に貯蔵されたカソードオフガスを供給することができる。
【００５３】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例では、バルブ制御処理において、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃ、および、カソードの出口圧力Ｐｏに基づいて、貯蔵タンク３０へのカソードオフガスの貯蔵タイミング、すなわち、バルブＶＡの開弁タイミングを決定し、また、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃ、および、カソードの入口圧力Ｐｉに基づいて、加湿タイミング、すなわち、バルブＶＣの開弁タイミングを決定するものとしたが、これに限られない。例えば、カソードオフガスに含まれる水分量や、燃料電池システム１００での発電量など、他のパラメータ値に基づいて、上記タイミングを決定するようにしてもよい。
【００５４】
また、貯蔵タンク３０の圧力Ｐｔに基づいて、バルブＶＡ、ＶＣの閉弁タイミングを決定するものとしたが、これに限られない。例えば、バルブＶＡ、ＶＣを開弁してからの経過時間に基づいて、バルブＶＡ、ＶＣの閉弁タイミングを決定するようにしてもよい。
【００５５】
Ｅ４．変形例４：
上記実施例では、水素希釈処理において、バルブＶＢを開弁して、貯蔵タンク３０に貯蔵された空気を用いて、水素の希釈を行うものとしたが、バルブＶＡを開弁するようにしてもよい。
【００５６】
Ｅ５．変形例５：
上記実施例では、貯蔵タンク３０を燃料電池スタック１０のカソード側に設けた場合を一例に説明したが、アノードオフガスにも水分は含まれ得るので、アノード側に貯蔵タンクを設けるようにしてもよい。ただし、燃料電池スタック１０において、生成水は、カソード側で生成されるので、貯蔵タンク３０をカソード側に設けるようにした方が、加湿の効果が高い。
【００５７】
Ｅ６．変形例６：
上記実施例では、バルブ制御処理において、初期状態や、貯蔵タンク３０へのカソードオフガスの貯蔵、および、電解質膜の加湿を行っていないときには、バルブＶＡ、ＶＢ、ＶＣ、ＶＤは、全て閉じているものとしたが、これに限られない。例えば、バルブＶＡ、ＶＢを開弁し、カソードオフガスをカソードに循環させるようにしてもよい。ただし、この場合には、配管３４にもバルブを設けるようにし、バルブＶＡ、ＶＢを開弁しているときに、貯蔵タンク３０に貯蔵された水分を比較的多く含むカソードオフガスが流出しないようにすることが好ましい。
【００５８】
Ｅ７．変形例７：
燃料電池システム１００において、貯蔵タンク３０に貯蔵されたカソードオフガス中の水分が水蒸気の状態で維持されるように、貯蔵タンク３０を加熱するための加熱装置を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】バルブ制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】掃気処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】変形例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００、１００Ａ...燃料電池システム
１０...燃料電池スタック
２１〜２５、３１〜３８...配管
２６...調圧バルブ
３０、３０Ａ...貯蔵タンク
４０...エアコンプレッサ
４２、４４、４６...圧力センサ
４８...温度センサ
５０...水素希釈器
６０...制御ユニット
ＶＡ、ＶＢ、ＶＣ、ＶＤ、ＶＥ、ＶＦ、ＶＧ...バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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